基于技术变革下的一级方程式赛车运动发展研究

胡 帅，辛 运，沈时明，韩梦姣

(1.西华师范大学 体育学院，四川 南充 637002；2.广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 510000)

基于技术变革下的一级方程式赛车运动发展研究

胡 帅1，辛 运2，沈时明1，韩梦姣1

(1.西华师范大学 体育学院，四川 南充 637002；2.广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 510000)

采用文献资料法、逻辑分析法，以探索一级方程式赛车运动的发展趋势为目的，首先对一级方程式赛车运动进行宏观阐释，然后从动力性、操控稳定性、燃油经济性、制动性角度对2005-2016赛季期间在赛车中衍生的技术变革进行分类汇总，分析其对赛车性能指标的影响，最后得出结论：从技术应用角度看，赛事竞技性日益增强、节能环保趋势凸显、赛车的科技含量进一步提升将是今后一级方程式赛车发展的主要趋势。

一级方程式赛车；赛车技术

回顾一级方程式赛车的发展历史可以发现，与FIFA、NBA等规则相对固定的赛事相比，其规则始终在不断变化之中。究其原因，日新月异的赛车技术作为一个强有力的变量，驱动着赛事发展趋势的不断演变。在一级方程式赛事研究领域，学者们通常将目光集中于其对城市形象的影响、赛事电视转播权开发等外部性领域，而技术变革作为一只“看得见的手”对一级方程式赛车运动本身的影响却很少有人提及。本文对近年来赛车技术变革进行梳理、汇总、分析，以期探寻一级方程式赛车运动发展趋势。

一、一级方程式赛车

(一)一级方程式赛车运动简介

世界一级方程式锦标赛(FIA Formula 1 World Championship，简称F1)是由国际汽车联合会(FédérationInternationale de l'Automobile，简称FIA)举办的世界性高水平赛事，与奥林匹克运动会、世界杯足球赛并称“世界体育的三大盛事”。从1950年举办首届比赛开始，F1已经走过了近70年的发展历程，成为赛车领域的标志性赛事，拥有600亿人次的年收视率。F1的影响力是世界性的，为赛事举办地的城市形象提升和旅游业发展提供了绝无仅有的平台。截止到2016年，征战在F1赛场上的车队总数为11支，其中既有老牌强队法拉利、梅赛德斯、威廉姆斯，也不乏黑马新星红牛、印度力量。参赛车手既有老将菲利普·马萨、费尔南多·阿隆索，也有新科冠军刘易斯·汉密尔顿、塞巴斯蒂安·维特尔。可以说，F1在完成了一轮车队重组和车手更替之后依然继续着昔日的辉煌。

(二)一级方程式赛车比赛影响因素分析

总体来说，影响F1比赛成绩的因素主要有：赛车性能、车手能力、车队策略以及天气和事故等不可预测性因素。与世界汽车拉力锦标赛(WRC)等其他赛车运动中强调车手能力至上相比，F1比赛中赛车性能对比赛结果影响占据更大比重，优秀的赛车设计与先进的制造水平是各车队在F1赛事立足的基础。

近年来FIA在赛事规则、技术规则等方面的改革愈演愈烈。专业汽车理论书籍中将车辆性能指标分为动力性、操控稳定性、燃油经济性、制动性、平顺性和通过性[1]几个主要方面，笔者对近十年来发生在F1赛车应用领域的技术变革进行分类汇总,从新型低排量引擎的使用、由空气动力学部件演变引起的赛车空气动力学特性变化、能量回收系统的应用、轮胎规格的变革和精细化的轮胎策略选择四个层面阐述技术变革对赛车性能指标的影响。

二、技术变革对赛车性能指标的影响

(一)动力性——新型低排量引擎的使用

动力性是最为重要的赛车性能指标之一，出色的动力性能离不开车队工程师对引擎、变速箱和底盘悬架的综合调教。2014赛季，F1迎来了近年来最大的技术变革——新型低排量引擎的引入。传统的2.4LV8自然吸气引擎被1.6LV6涡轮增压引擎取代，这是在2006年禁用V10引擎后进一步削减引擎排量的举措。如表1所示，新款赛车引擎在性能参数上较旧款引擎存在显著性差异，排量、功率、转速的限制意味着更慢的单圈速度和更低的加速性能，燃油消耗也相应降低。同时，引擎的进气形式由自然吸气变为涡轮增压，而F1上一次采用涡轮增压引擎还要追溯到20世纪70年代的雷诺RS10赛车。涡轮增压引擎在高转速区间的扭矩输出具有明显优势，但在低转速区间相比于自然吸气引擎呈现的线性分布扭矩输出而言，动力输出明显不足。反映在宏观动力性层面的现象是：涡轮增压引擎动力输出存在迟滞性，高速性能优异但低速性能欠佳。引擎的变更带来的影响是全新的操纵体验，对于车手的操纵习惯和适应能力提出了新的要求，对现役的F1车队工程师来说，新款引擎的赛场调教是一个陌生而又充满挑战的领域。笔者截取V8引擎换装前后的2005、2006赛季和V6引擎换装前后的2013、2014赛季前10场比赛，进行最快单圈时间的对比，如图1所示。以V6引擎为例，在换装后，每一个分站赛的最快圈速相比换装之前慢了2-3秒，其中马来西亚站、中国站和英国站的最快单圈速度更是落后4秒之多，这对以分秒定胜负的F1赛车运动来说可谓是质的变化，也从结果上印证了赛车动力性能下降的总体趋势。

表1 V10、V8、V6引擎基本参数对比

图1 引擎换装前后F1前10站比赛最快圈速对比

除动力性能下降外，低排量引擎也带来了诸多优势。首先，在动力系统使用数量限制方面，2009赛季FIA规定车队在整个赛季中使用的引擎数量不能超过8台，2015赛季减少到5台，而且根据官方预测，2018赛季引擎使用数量限制将进一步缩减到3台，若车队超额更换引擎则会退后10位发车。使用数量的限制促使各大车队在提升引擎性能的同时积极研发新技术，以提高引擎的耐用性。其次，在引擎结构方面，曲轴、连杆、凸轮轴、气门等部件都进行了更为轻量化的设计，活塞在接近9000G的加速度条件下更是达到了200g左右的轻量化水平，配合高喷油压力和低“冲程-缸径比”，进一步提升引擎性能。最后，在碳排放方面，据英国Trucost公司发布的数据显示，F1本身的碳排放较过去降低了24%，这大部分要归功于低排量引擎的使用。

(二)操控稳定性——由空气动力学部件演变引起的空气动力学特性变化

悬架的出色调教和空气动力学部件的合理使用是提高F1赛车操控稳定性的两大因素。相较于基本定型的悬架设计，近年来F1空气动力部件的变化尤为突出。从早期赛车羸弱的水滴形车尾减阻设计，到如今鼻锥、前翼、尾翼、导流板、流线型车身共同形成的一体化气动布局，F1赛车对空气动力的利用走过了坎坷的发展历程。在空气动力学领域，F1赛车行驶时会产生三道来自不同方向的流场，分别是流经车体和尾翼的顶部流场、流经散热器再由排气口排出的侧向流场、以及流经车体底部的底部流场[3]，FIA对于前翼、尾翼等气动部件的规则更改从未停止，如图2所示。近年来最为重要的技术革新是:与顶部流场相关的减少空气阻力系统(Drag Reduction System，简称DSR)和与底部流场相关的底部导流板(Diffuser)两项空气动力技术的使用。1.DRS系统。工程师通过改变尾翼上翼面与水平面的迎角，在高速赛段将尾翼上翼面放平以减小赛车尾部的下压力、提高直线速度，在低速赛段则重新调整到先前的迎角保证赛车获得足够的下压力。一般情况下，DRS会节约80马力的动力，带来10-15km/h的尾速提升，在理论上，更快的直线速度可以增加超车的可能性。可以说，DRS系统在特定使用规则下的应用在保证赛车操控稳定性的同时，提高了F1赛事的观赏性；2.Diffuser。扩散器的形状类似Venturis管，赛车设计师通过精确的曲线控制，使气流在流经扩散器时获得更大的流管，此时的流体为不可压流，因此更多的气流将从底盘前部吸入扩散器，造成底盘流速增大，获得压力差以产生大量的下压力[4]。扩散器本身并不产生下压力，而是诱导产生下压力的工具，它的使用革命性提高了赛车底部流场的空气动力性能，进而大幅度提高了赛车的安全性和操控品质。

在空气动力部件设计制造领域，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)被更为广泛应用。CFD是在计算机技术迅猛发展基础上，对某一气动部件设计样品的流场利用、空气噪声、进排气规律进行模拟预测，得出相应模拟测试数据的一项技术。CFD在F1赛车制造中的应用在缩短气动部件设计周期、可反复改进初始设计的同时，也减少了车队用于空气动力研究的经费、提高了科学研究的费效比[5]。

表2 近年来F1赛车空气动力学部件限制的对比

数据来源[6]:百度百家http:∥ecosports.baijia.baidu.com/article/544702

(三)燃油经济性——能量回收系统的应用

继2009赛季F1尝试使用KERS系统之后，在2014赛季放开了能量回收系统(Energy Recovery System,简称ERS)的使用。ERS包括了动能回收系统(ERS-K)和热能回收系统(ERS-H)，分别对引擎工作时的多余动能和热能进行回收和再利用。能量回收系统分为能量回收与释放两个工作阶段：1.回收阶段。ERS-K的作用原理与民用混合动力技术类似，将动能电机安装在引擎的曲轴附近，利用赛车刹车时引擎空转产生的多余动能发电，进而将电能储存在电池中。对于高速旋转的赛车引擎而言，多余动能的回收潜力和价值是非常可观的。ERS-H则是将热能电机安装在涡轮附近，与涡轮同轴，对高速行驶时引擎排出的废气热能进行回收，在电机中将热能转化为电能储存至储能电池中；2.释放阶段。ERS-K通过储能电池放电驱动电机工作，进而为赛车提供额外的动力输出。传统的涡轮增压引擎存在涡轮迟滞现象，在低转速阶段进气压力不足，而ERS-H的应用有效解决了这个问题。在引擎低转速区间，通过储能电池放电，热能电机工作进而驱动涡轮旋转，而此时涡轮高达125000rpm的高转速使引擎进气管内的空气压力骤增，克服了涡轮迟滞现象。在赛车急需动力时，ERS-H回收的能量可以直接为ERS-K电机供电以驱动引擎旋转。ERS的能量释放对赛车完成策略性的快速超车意义重大。

整套ERS系统由统一的控制单元进行调度，以协调引擎、电机、储能电池之间工作状态。从宏观层面上讲，ERS不但能有效对引擎在高转速时的多余能量进行回收利用，同时也将其在低转速时的多余能量利用最大化，提高燃料能量的转化率。ERS使F1赛车逐渐剥离了高油耗的固有标签，在对引擎动力进行适当补充基础上，极大地提高了赛车的燃油经济性。FIA近年来显然在积极推进ERS的应用，以2014赛季为例，整个ERS的系统功率由2013赛季的60kw提高到了120kw，能量存储是前者的10倍，达到了4MJ，单圈释放时间从6.6秒延长到了33.3秒——ERS在整个动力总成中的地位已今非昔比。虽然各大车队都投入巨额资金进行ERS系统研发与更新，但不同车队和厂商对ERS系统的运用成熟度仍然参差不齐。例如2015赛季的迈凯伦本田车队，就因ERS系统问题导致在赛场上频频退赛，而同时期的雷诺、梅赛德斯奔驰车队则因在该领域有着较深的技术积累而获得了相对较多的比赛积分。

图2 F1赛车能量回收系统工作原理简图

(四)制动性——轮胎规格的变革和精细化的轮胎策略选择

轮胎规格和材料方面，总体来说，F1的轮胎规格变迁经历了“有沟槽窄胎——光头胎——有沟槽宽胎——光头胎”几个发展阶段，每一发展阶段都伴随着引擎动力和空气动力套件的变革。据国际汽联统计，早期的光头胎相比于沟槽胎虽然能获得15%-20%的抓地力提升，但是因其与地面接触面积较大，无法获得较高行驶速度，也不利于轮胎热量散发。而如今的光头胎通过改进配方，在胶料中添加了碳纤维和钛合金的复合材料[7]，使轮胎在硬度、耐磨性上与初期的光头胎相比在性能上出现了质的飞越。同时，对热熔温度的控制更加精确，比赛中的赛车轮胎大部分时间都接近于最佳工作温度(干胎90-100℃，湿地胎30-50℃)。这种轮胎能够提供更高的摩擦系数和更大的接地面积，使赛车在横向和纵向方向都能获得足够抓地力，在高速过弯时避免转向不足和转向过度的发生。

轮胎使用策略方面，自赛会实施单一轮胎供应商制度以后，用于比赛的轮胎也衍生出更多可供选择的轮胎类型，轮胎策略的选择呈现精细化。以倍耐力在2016赛季为F1提供的7种轮胎为例，如表3所示，其中干胎有5种，湿地胎2种，根据不同赛道和不同天气状况可采取不同轮胎组合策略：1.针对街道赛的轮胎策略。诸如摩纳哥等街道赛道，相对于封闭式的公路赛道而言，路面摩擦系数较低，各车队采取“极软胎+超软胎+软胎”组合以提高赛车与路面之间摩擦力；2.针对积水赛道的轮胎策略。在赛道有积水时使用光头胎会产生“水漂效应”，从而降低赛车的操控品质，各车队通常采取“雨胎+半雨胎”组合。花纹较浅的半雨胎的排水效率可达到20L/s,而花纹较深的雨胎可以达到60L/s。半雨胎与雨胎的组合能迅速排空车轮与地面间的积水，保证轮胎接地面积。3.针对排位赛的轮胎策略。车队在排位赛中为取得更加优异的成绩，往往会选择较软的中性胎和软胎，在对轮胎磨损要求较低的排位赛中，这种轮胎组合能够为车手提供足够的地面摩擦系数以提高最快圈速。

表3 2016赛季倍耐力提供的轮胎种类

三、对一级方程式赛车发展的趋势分析

(一)竞技性逐渐增强

竞技性是体育比赛具有特殊观赏性的源泉。近年来，针对F1品牌影响力减弱、收视率下降的现实，国际汽联在赛车技术方面进行了可谓是大刀阔斧的改革。从最初对绝对速度的追求——绝对追求速度，到限制速度保证赛车安全，再到增加超车机会以提高观赏性，F1赛车运动在高强度比赛下的强大竞技性逐渐得以重新发挥。竞技性的提升主要表现在杆位的争夺日趋激烈、比赛中超车数量增加、车队总冠军和车手冠军分布更加离散化。导致这种趋势的技术层面因素有：1.引擎动力性能参数的下降和以ERS为代表的辅助动力系统的介入。全新的引擎动力形式将各大车队拉向了同一起跑线，传统强队在引擎技术方面的优势被逐渐削减，各大车队面临着同样的、新的技术难题。车手对新型动力系统的适应程度也有显著性差异，这是各自不同的驾驶风格所决定的。例如，前世界冠军迈克尔舒马赫的驾驶风格较为平和，而曾经同为法拉利车队队友的阿隆索则偏爱更加激进的驾驶风格，这也导致其多次引擎爆缸事故发生。而ERS的应用在此基础上使赛车在某一赛段获得突然性的动力提升，增加了车手超车的可能性，增加了比赛变数；2.以DRS为代表的空气动力部件的变迁和轮胎技术的变革。近10年来空气动力学部件规格的改革结果是赛车获得的下压力呈现逐渐下降趋势。FIA在空气动力部件方面的改革不仅局限于部件规格层面，更是细致到了比赛中车手对气动部件的使用，规定只允许在特定赛段，且赛车与前车的时间差在1秒内时才能触发DRS，而前车却不能用DRS进行防守。严格的制造、安装规则和繁杂的使用规则的目标相同，就是增加赛事竞技性。在理论上，处于同技术水平条件和相同轮胎磨损情况下的两辆赛车，后车会获得比前车大得多的速度优势。

(二)节能环保趋势凸显

从赛事举办伊始，F1就被誉为是最为“烧钱”的运动，单是每场赛事每辆赛车的燃油消耗就在150公斤以上。为减缓全球气候变暖趋势，各国开始限制以二氧化碳和氮氧化合物为主的温室气体排放，F1比赛极高的燃油消耗和尾气排放显得与节能环保理念格格不入，也招致环保组织的口诛笔伐。但不可否认的是，F1赛在节能环保方面的努力的确有目共睹：据FIA官方统计，低排量新引擎的应用和ERS系统的成功研制使得赛车的燃油效率比之前提高了35%，同时按照赛会规定添加至少5.57%的生物燃油成分，有效减少了碳排放。这种迹象显示，F1赛车运动本身正在进行积极的自我调整，以适应低能耗、低排放时代的到来。节能环保目标不是一朝一夕可以达到的，必须通过一代代赛车工程师、设计人员的共同努力，通过逐项技术壁垒的克服和理念的创新来实现。

在改进已有技术的同时，FIA还斥资建立了一项“纯绿色”的运动——电动方程式。电动方程式的赛车不论在理论技术还是制造工艺方面都与现如今的F1有着密不可分的联系：车身造型类似于F1赛车，由法国斯帕克赛车公司统一制造，电机(MGU)和控制单元(GCU)由迈凯伦电子提供，底盘和空气动力学套件由意大利达拉拉公司打造，制动系统来自Alcon，变速箱由Hewland提供，电池则来源于威廉姆斯车队旗下的Williams Advanced Engineering。电动方程式赛车与F1赛车不同的是，采用18寸的大轮毂，由40块锂电池提供全车动力，驾驶员加整车重量达到800公斤。但268马力的最大功率、240km/h的最高时速、不足3秒的百公里加速时间意味着其性能丝毫不亚于F1赛车。FIA希望通过该赛事促进电动汽车技术的发展，特别是电池技术的进步，这在一定程度上也是在探索F1赛车运动的未来。

(三)赛车科技含量进一步提升

可以说，一部F1赛车就是集诸多高新科技于一身的产品。笔者在文中已经罗列了近年来在F1赛车上发展迅猛的高新技术，如新型引擎技术、ERS系统、DRS系统等的应用。实际上，在F1赛车上存在的“黑科技”远不止于此。首先，在材料研发和应用领域，对纤维增强复合材料底盘[8]的引入和碳纤维“三明治”单壳体座舱的广泛使用极大提高了赛车的安全性。其次，在赛车设计领域,Pro-E、ANSYS、CFD[9]等一大批计算机辅助设计软件的应用，在提高部件设计能力的同时，也在一定程度上减少了车队在空气动力部件研发上的资金投入。最后，先进的赛车遥感和赛场通讯技术的广泛应用，为车队和车手之间的沟通搭建起了坚实的技术桥梁，车队运用传感器数据进行大数据分析、跟踪赛车实时状态也成为可能。

在过去的几十年中，F1不仅仅是作为一项世界性的赛车比赛而存在，更为重要的是，它一直引领着汽车制造产业的技术革新。各大车队为获得好的名次竞相投入大量资金和人员进行技术研发。而从F1赛车研发领域下放的技术，极大地改变了民用汽车制造业的格局，使高新技术更多地惠及民用汽车，例如涡轮增压和双离合变速器技术、混合动力技术、线传操控技术等等。F1赛车先进的设计理念、澎湃的动力表现、谨慎的车辆调教、出众的驾驶安全性，无一不影响着民用汽车设计领域。环保机构对F1赛事前景的看衰并没有令其止步于现有技术而走向消亡，节能环保理念反而倒逼了F1赛车技术的升级，在可预见的未来，笔者相信F1赛车运动会继续引领汽车技术的进步。

小 结

在简单介绍F1赛车运动基础上，从动力性、操控稳定性、燃油经济性和制动性方面对近十年来F1赛车上出现的技术变革进行汇总，从技术角度得出F1赛车运动的发展趋势是：竞技性日益增强，节能环保趋势凸显，赛车科技含量进一步增加。

[1]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009:1-15.

[2]DHL FASTEST LAP AWARD[EB/OL].https:∥www.formula1.com/.

[3]马勇，郑伟涛，韩久瑞.计算流体力学在F1赛车运动中的应用[J].武汉体育学院学报，2005(3)：53-54.

[4]一级方程式赛车的外形是如何一步步进化的[EB/OL]. http:∥qingmang.me/articles/6303337207493598734/

[5]葛新发,郑伟涛等.流体力学在体育运动中的研究进展[J].山东体育学院学报,2011(6):45-50.

[6]ERS能量回收系统[EB/OL].http:∥www.pcauto.com.cn/tech/763/7632363.html

[7]吴秀兰.F1赛事及其所用轮胎的发展概况[J].轮胎工业,2005:500-502.

[8]高晶.复合材料在F1赛车运动中的应用[J].科技通报,2012(12):173-175.

[9]何忆斌,李伟平等.F1方程式赛车后升力翼的气动特性[J].航空动力学报,2013(10):2343-2347.

ResearchontheDevelopmentofFormulaOneRacingBasedonTechnologicalChange

HU Shuai1,XIN Yun2,SHEN Shi-Ming1，HAN Meng-Jiao1

(1.Institute of Physical Education，China West Normal University，Nanchong 637002,China;2. Automotive Engineering Research Institute,Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd,Guangzhou 510000,China)

The paper uses the method of literature and logical analysis to explore the development trend of Formula 1.Based on a brief introduction of Formula 1,the paper makes a classification and summary on technical changing from 2005 to 2016.From aspects of power,fuel consumption,handling stability and braking,the paper analyzes the effect of technological progress on Formula One. Conclusion:From the view of the application of technology,gradual increasing of sports’ competitive,saving of energy and environmental trends,enhancing of the scientific and technological content are the main development trend of formula 1 in the future.

F1； automobile racing technology

G872.1

A

1009-9743(2017)04-0098-07

2017-06-21

1.胡帅，男，汉族，山东潍坊人，西华师范大学体育学院在读硕士。主要研究方向：体育教育训练、体育产业。2.辛运，男，汉族，山东潍坊人，广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院工程师，主要研究方向：汽车车身研究。1.通讯作者：沈时明，男，汉族，安徽合肥人，西华师范大学体育学院教授、硕士生导师。主要研究方向：体育教育训练学。1.韩梦姣，女，汉族，湖北宜昌人。西华师范大学体育学院在读硕士。主要研究方向：体育人文社会学。

10.13803/j.cnki.issn1009-9743.2017.04.018

赵峰)